四五月份,柳絮漫天飛舞。台灣作家張曉風曾感歎:“不能不被生命豪華的、奢侈的、不計成本的投資所感動。也許在不分晝夜的飄散之餘,隻有一顆種子足以成樹,但造物者樂於做這樣驚心動魄的壯舉。”
生命縱有長短,但是幾乎所有的生物,都會想方設法將自己的遺傳信息傳遞給下一代以保持種族的延續,也就是我們常常說的生殖或者繁殖。隻是繁殖的方式不同,地球上每時每刻都有生命體做出這樣或那樣的“驚心動魄的壯舉”。人類為不斷發現的“生命的壯舉”而震撼和感動。
5.1千奇百怪的繁殖方式
繁殖是所有生命都有的基本現象之一。我們的“鄰居”——房前的桃李,屋後的榆柳,門前的黃狗,院中的母雞……它們每個現存的個體都是上一代通過繁殖而存在的,即使某些個體發生了突變也僅僅是少量特性發生了改變,生物體大部分的遺傳物質及表達出來的性狀和祖先們沒有太大的差異,你熟悉它們。但你知道自然界的其他居民延續後代的方式嗎?這些“居民”的繁殖種類又有哪些呢?
5.1.1無性繁殖
原始生命產生以後,它們是怎麼延續後代的呢?生命之初,單細胞生物和原始低等生物是無性生殖繁衍後代。
無性繁殖是最簡單最原始的繁殖方式,不需要兩性生殖細胞(精子和卵子)的結合,由母體直接產生新個體。無性繁殖最典型的特點是隻牽涉一個個體,它主要分為分裂生殖(細菌及原生生物)和出芽生殖(水螅等)。但是事實上無性繁殖並不局限於單細胞生物,多數的植物都可進行無性繁殖。比如蕨類植物會進行孢子生殖,還有我們常吃的草莓,它們的匍匐莖可以進行營養生殖。
這種生殖方式具有縮短生長周期、保留母本優良性狀的特點。
(1)分裂生殖
分裂生殖是單細胞生物中最常見的一種生殖方式。比如變形蟲、細菌的分裂生殖是最簡單的。草履蟲能夠進行橫二分裂繁殖,因為它含有兩個核,分裂時小核進行有絲分裂並出現紡錘絲;而大核則進行無絲分裂,不形成紡錘絲,大核先伸長膨大,然後再濃縮集中,最後一分為二。
(2)出芽生殖
這種生殖方式比較好理解,即從母體上長出芽,由芽發育成新個體的生殖方式,在自然界中廣泛存在。酵母菌就是出芽生殖,它的細胞核分裂,其中一個子核進入細胞表麵突出的芽體內,成為子細胞。水螅及部分高等植物中也都存在著出芽生殖這種現象。
(3)孢子生殖
自然界中還有一類生物,它們的身體長成以後能夠產生一種細胞,這種細胞不經過兩兩結合,就可以直接形成一個新個體。這種細胞叫作孢子,而這種生殖方式就叫孢子生殖。比如根黴,它的頂端常常形成孢子囊,裏麵會產生孢子。孢子落在陰濕而富含有機質的溫暖適宜環境中,就能夠發育成新的根黴。一般的低等植物和真菌都是以這種生殖方式進行繁殖的,比如鐵線蕨、青黴和曲黴等。
(4)斷裂生殖
在生活中我們會看到這樣一些奇特的生物,比如水綿、渦蟲等,它們的個體受到外力的作用時,可以斷裂成兩個(或更多)片段,這些斷裂的片段經過一段時間後就可以發育成一個新的個體。這類生物的生殖方式就叫作斷裂生殖,也是無性生殖的一種類型。自然界的生物是不是很神奇?
(5)營養生殖
俗語說的“無心插柳柳成蔭”就是植物的營養生殖。這種生殖方式在植物中非常常見,比如,馬鈴薯的塊莖、草莓的匍匐枝、秋海棠的葉,都能生芽,而且這些芽都能夠長成新的個體。
值得指出的是,在自然狀態下進行營養繁殖,叫作自然營養繁殖,如草莓的匍匐枝、秋海棠的葉、馬鈴薯的塊莖;在人工協助下進行的營養繁殖,叫作人工營養繁殖,如扡插、嫁接等。
營養生殖的特點是能夠使後代保持親本的性狀,因此,人們常用分根、扡插、嫁接、壓條等人工的方法來繁殖優良的花卉和果樹品種。
(6)組織培養
隨著近代生物技術的飛速發展,科學家發現植物細胞具有全能性,於是根據這個特點,人們利用植物的組織培養技術,實現了植物的快速繁殖。植物的組織培養並不是簡單地取下植物體的一部分就可以長出新的個體,它是一個利用生物學技術進行的複雜的培養過程。大致過程是:首先在無菌的條件下,將植物器官、組織或者細胞切下,放在適當的培養基上培養,於是這些器官或組織就會在適宜的條件下進行細胞分裂,並形成新的組織。不過,這種新的組織並沒有發生細胞分化,隻有當在適當的光照、溫度和一定的營養物質與植物激素等的條件刺激下,這部分細胞才會開始分化,並產生組織或者器官,進而發育成一棵完整的植株。
我們生活中經常會在果樹和花卉的快速繁殖方麵用到植物的組織培養這項技術,其不僅僅是因為這種繁殖方式取材少,培養周期短,繁殖率高,可以培育無病毒幼苗,而且還便於自動化管理。比如,一個牡丹花的莖尖,可以在一年內產出30萬株牡丹花苗。因為長期進行無性繁殖的植物,體內往往會積累大量的病毒,從而影響植物的產量或觀賞價值,經過植物學家們的研究發現,植物隻有莖尖和根尖中不含有病毒,因此,人們利用莖尖進行組織培養,便會得到多種植物(如草莓、牡丹花)的無病毒株,進而取得可觀的經濟效益,所以說科技的進步對人類貢獻非常大。
(7)克隆
1996年英國科學家利用克隆技術培育出了一隻叫“多莉”的小母羊,“多莉”的問世標誌著生物新世紀的到來。隨即“克隆”這個詞在生物界甚至在普通大眾口中流傳開來。
“多莉”的出生過程是,科學家先將含有母羊的遺傳物質的體細胞的核移植到去除了細胞核的卵細胞中,利用微電流的刺激等使這兩種細胞物質融合為一體,然後經過處理促使這一新細胞分裂發育成胚胎,當胚胎發育到一定程度以後,再被植入到另一隻母羊的子宮中使其懷孕,經過一段時間的發育便可產下與提供細胞者基因相同的小羊。在這一過程中如果對供體細胞進行了基因改造,那麼無性繁殖的動物的後代基因就會發生相同的變化,產生改變後基因的性狀。
克隆技術的特點是它的過程不需要雌雄交配,也不需要精子和卵子的結合,隻需從動物身上提取一個單細胞,利用人工的方法將其培育成胚胎,然後再將胚胎植入到雌性動物的體內,就可孕育出一個新的與母體性狀相同的個體。美國和英國科學家先後培養出了克隆猴和克隆羊。克隆技術的成功,被人們稱為“曆史性的事件,科學的創舉”。有的人甚至認為,克隆技術可以同當年原子彈的問世相提並論。
美國內布拉斯加州奧馬哈市的一家動物園有3條雌性錘頭鯊生活在一個水箱中,它們被捕捉時全都尚未成年,此後也從未接觸過雄性。忽然有一天,水箱中誕生了一條小鯊魚,這條小鯊魚的誕生引起了人們很大的困惑與爭論。最近,科學家通過DNA鑒定確認,這條神秘的小鯊魚是無性生殖的產物。科學家們推測,在難以找到雄性時雌性鯊魚可能通過無性生殖來繁殖後代。但是無性生殖過程限製了後代的基因多樣性,使物種在麵臨環境變化和疾病時較難適應。此前,科學家們曾在一些鳥類、爬行動物、兩棲動物及魚類身上發現無性繁殖現象,隨著科學技術的深入發展,某些高等生物的無性生殖也逐漸被發現。
雖然大部分的無性繁殖都有生長速度快,能保持母本的優良特性、繁殖速度快等優點,但是在地球這個適宜生物生存的大環境中,有性生殖卻依然是繁殖的主力,無性繁殖有它自身的局限性,比如不容易發生變異,所以適應外界環境條件的能力差;還有就是繁殖方法不如有性繁殖那樣簡便,尤其是環境適應性差這點,給無性繁殖的“市場”帶來相當大的局限性。
5.1.2有性繁殖
有性繁殖指由親本產生有性生殖細胞(又叫配子),經過兩性生殖細胞的結合,成為受精卵,然後再由受精卵發育成為一個新的個體的生殖方式。
低等的無脊椎動物絕大多數為卵生;少數為卵胎生,即卵與精子結合後留在雌性體內發育,其所需營養由卵來供應,如田螺等。也有的為胎生,即雌體產生的卵受精後留在體內,吸收母體的營養發育成幼體再產出體外。有些低等動物中,雌雄性細胞的大小、形態等基本相似,難以辨別,稱為同形配子;但多數動物的配子的形態不同,稱為異形配子。如人類雄配子——精子多為蝌蚪狀,雌配子則呈球形。有些無脊椎動物是雌雄同體(如渦蟲、蚯蚓等),生殖也是精卵結合,不過有時是自己本身的精子和卵子結合,此行為稱自體受精,或者與其他個體進行異體受精。
有性繁殖發生的直接證據,最早是在澳大利亞中部的苦泉燧石中發現的,這裏有植物經過減數分裂產生了四分孢子的化石。化石的年齡大約為10億年,於是古生物學家判斷有性繁殖實際出現的時間應該還要早些,大約是在真核生物產生後不久就出現了。從動、植物生殖細胞的形成過程中均有複雜的減數分裂這種情況來看,有性繁殖這種方式應該起源於動、植物分化前,但是這還僅僅是一種推測,並沒有確鑿的證據。
一般來說,高等生物都是有性繁殖,這種生殖方式有自己獨有的優勢,它最主要的特征是經過兩性生殖細胞的結合,成為受精卵,然後再由受精卵發育成為一個新的個體。因此也是生物界最常見、最重要的生殖方式。
我們拿被子植物為例,被子植物在白堊紀爆發性地大量出現,繁衍至今,成員遍布世界的每個角落。它們花開花謝,繁衍生息,看似平靜無奇,實則不知蘊藏多少心思,因為植物為繁衍後代費盡心血,幾乎每一種植物都有其獨特的交配和繁育後代的方式……
有性繁殖這種延續後代的方式在生物學上具有重要的意義。這樣產生的新個體不但繼承了雙親的遺傳性狀,保持了種族的遺傳特性,而且有性繁殖中基因組合的廣泛變異能增加子代適應自然選擇的能力。雖然有性繁殖產生的後代中隨機組合的基因對物種可能有利,也可能不利,但至少會增加少數個體在難以預料和不斷變化的環境中存活的機會,所以從整體上說對物種有利。
(1)植物的有性生殖
植物開花了,姹紫嫣紅,芳香四溢,引得昆蟲鳥雀這些“好色”之徒紛至遝來,這兒停一停,那兒靠一靠,流連忘返之中,把從這朵花上沾來的花粉撒落到了另一朵花上,樂此不疲地幫助植物完成了一生中的大事——傳宗接代。
原來花是這些植物生息繁衍的生殖器官。它們也有性別之分,有雌花、雄花、兩性花。有的植物雌雄同花,有的雌雄異花,有的雌雄同株,有的雌雄異株。這些植物采用的是有性生殖方式,也稱種子繁殖。由雄蕊提供精細胞,雌蕊提供卵細胞和受精場所,通過自花授粉和異花授粉兩種方式,把雄蕊花絲上的花粉傳播到雌蕊柱頭上,精細胞、卵細胞二者結合,即完成受精過程。自花授粉一般指同一朵花雄蕊對雌蕊進行授粉,如小麥、大麥、豌豆等就是自花授粉;雄蕊與雌蕊沒有長在同一朵花裏,雌蕊靠外力接受另一朵花的花粉叫異花授粉,如蘋果、南瓜、油菜等就是異花授粉。異花授粉的植物主要靠昆蟲或風力來傳播花粉,這些植物的花朵往往色澤豔麗、香氣濃鬱,或者有美味的花蜜以吸引傳播者,這下我們知道植物香豔為哪般了。
植物卵細胞受精後,發育成果實和種子,完成了有性生殖。有性生殖可以增加後代變異的機會,為適應環境增加了更多新的可能性。對植物的生存和進化具有重要意義。
(2)鳥的生殖
鳥的生殖具有明顯的季節性,大多數鳥在春季繁殖。在繁殖季節,許多鳥會選擇合適的場所構築巢穴,而且雄鳥會表現出各種各樣的求偶行為。求偶成功,雌雄鳥進行交配。主要為體內受精,在雌體內進行,雄鳥將精子送入雌鳥體內,與雌鳥體內的卵細胞進行結合,形成受精卵。受精卵在雌鳥的輸卵管內下行時,會被輸卵管壁分泌的卵白、卵殼膜和卵殼所包裹,最後由泄殖孔排出體外。精子與卵細胞在雌鳥體內結合成受精卵。於是雌鳥產下具有堅硬外殼的大型卵。體內受精成功率比體外受精成功率要高很多。